基于磁屏蔽的渦流式接近傳感器的結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究

陳強(qiáng)

（安康學(xué)院 科研處，陜西 安康 725000）

基于磁屏蔽的渦流式接近傳感器的結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究

陳強(qiáng)

（安康學(xué)院 科研處，陜西 安康 725000）

基于提高渦流式接近傳感器性能的目的，本文采用在鐵氧體磁芯的頂部添加帽型磁屏蔽片的方法，使主要的磁通經(jīng)過鐵芯和帽型磁屏蔽片而達(dá)到閉合，使磁路得到明顯改善。本文從傳感特性、磁通分布和渦流損耗等方面對(duì)傳感器進(jìn)行定量的電磁描述，經(jīng)過有限元分析和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，這一結(jié)構(gòu)優(yōu)化能使傳感指數(shù)降低7.3%，有效提高接近傳感器的性能。

接近傳感器；渦流損耗；品質(zhì)因數(shù)；磁屏蔽；結(jié)構(gòu)優(yōu)化

optimization

渦流式接近傳感器是一種非接觸傳感裝置，在被測(cè)導(dǎo)體中感生出渦流，渦流損失會(huì)導(dǎo)致檢測(cè)線圈的電阻增加，以此反應(yīng)被測(cè)導(dǎo)體與傳感器的距離。作為一種常見的工業(yè)傳感器，對(duì)其進(jìn)行性能提高和設(shè)計(jì)優(yōu)化，具有積極的現(xiàn)實(shí)意義[1-6]。

傳統(tǒng)接近傳感器的磁路主要由被測(cè)導(dǎo)體、鐵芯以及兩者間的空氣構(gòu)成，具有較大的磁損耗。相關(guān)研究表明，降低接近傳感器中構(gòu)成磁路的各個(gè)部件的磁損耗，有助于提高其工作性能。隨著磁性材料的發(fā)展，低磁導(dǎo)率的磁性塑料被大量應(yīng)用。磁性塑料的相對(duì)磁導(dǎo)率在5～100之間，低于傳統(tǒng)的磁性材料[7-9]。本文通過在鐵氧體磁芯的頂部添加一個(gè)由磁性塑料制成的帽型磁屏蔽片，使得傳感器的主要磁通，經(jīng)過鐵芯和帽型磁屏蔽片達(dá)到閉合，從而降低達(dá)到被測(cè)導(dǎo)體的磁通量。

這一帽型磁屏蔽片所用的磁性塑料其相對(duì)磁導(dǎo)率為8，在進(jìn)行有限元分析時(shí)，對(duì)材料的取值可以限制在2～40之間。文中針對(duì)接近傳感器的各個(gè)部件，從傳感特性、磁通分布和渦流損耗等方面進(jìn)行定量的電磁描述，并進(jìn)行了有限元分析和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，對(duì)接近傳感器的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了有效的優(yōu)化。

1 理論分析

傳統(tǒng)的接近傳感器由鐵氧體磁芯、線圈和殼體構(gòu)成，文中增加了一個(gè)由磁性塑料制成的磁屏蔽片。接近傳感器的實(shí)物照片和增加了帽型磁屏蔽片之后的傳感器結(jié)構(gòu)示意圖見圖1所示。傳感器各個(gè)組件的物理參數(shù)如表1所示，額定工作頻率為350 kHz。

式中Qt—有被測(cè)導(dǎo)體時(shí)線圈的品質(zhì)因數(shù)，

Q∞—無被測(cè)導(dǎo)體時(shí)線圈的品質(zhì)因數(shù)。

ω—角頻率

L—線圈的電感

R—線圈的電阻

在進(jìn)行有限元計(jì)算時(shí)線圈的各個(gè)參數(shù)R、L、Q等可以通過式（5）～（7）進(jìn)行計(jì)算。此外，在計(jì)算Q值時(shí)，除了直流電阻還要考慮高頻電流所帶來的附加電阻，其計(jì)算過程見見式（5）。

表1 各組件的物理參數(shù)

2 實(shí)驗(yàn)與驗(yàn)證

圖1 接近傳感器的結(jié)構(gòu)

圖2 Q的試驗(yàn)結(jié)果與計(jì)算結(jié)果

圖3 R的計(jì)算結(jié)果

圖4 L的計(jì)算結(jié)果

這一差異可以歸結(jié)于被測(cè)導(dǎo)體中的渦流損耗，渦流損耗與被測(cè)導(dǎo)體表面的最大磁通密度的平方成正比。因此可以分別測(cè)試，被測(cè)導(dǎo)體表面和磁屏蔽片附近幾處位置（Z=8，9，14.6 mm）的磁通密度的分布情況進(jìn)行驗(yàn)證。測(cè)試位置示意圖如圖5所示，圖中的磁通密度的最大值出現(xiàn)在r=3 mm處，這一位置對(duì)應(yīng)線圈所在腔體的邊界位置。由于屏蔽片的磁阻很小，因此磁通主要集中在鐵芯和屏蔽片構(gòu)成的磁路中。而檢測(cè)線圈的電感不受屏蔽片的影響，其值的大小主要受和等效交流阻抗（渦流損失帶來）的影響[13-15]。實(shí)驗(yàn)所采用的工作條件為恒壓激勵(lì)，與實(shí)際工作條件一致。其中，被測(cè)導(dǎo)體處的磁通密度B的分布如圖6所示。

圖5 磁通密度的測(cè)試位置

圖6 被測(cè)導(dǎo)體處的磁通密度分布

3 結(jié) 論

文中提出了一種渦流式接近傳感器的結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法，通過在磁芯頂部添加由磁性塑料制成的帽型磁屏蔽片，使得接近傳感器的主要磁通[17]，經(jīng)由鐵芯和帽型磁屏蔽片構(gòu)成磁路達(dá)到閉合，使傳感器的傳感指數(shù)降低7.3%，感知特性明顯增強(qiáng)。同時(shí)，這一結(jié)構(gòu)改進(jìn)也有利于增大渦流傳感器的輸出。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，這一改進(jìn)能夠有效地提高渦流式接近傳感器的工作性能，具有積極的現(xiàn)實(shí)意義。

[1]管聲啟，袁建暢.新型渦流傳感器的設(shè)計(jì)[J].儀表技術(shù)，2003，3（3）:50-51.

[2]K.D.Anim-Appiah，S.M.Riad，Analysis and design of ferritecores for eddy-current-killed oscillator inductive proximity sensors [J].IEEE Trans.Magn.，1997，33（3）:2274–2281.

[3]K.Koibuchi.Loss estimation and sensing property enhancement foreddy-current type proximity sensor[J].IEEE Trans.Magn.，2006，42（4）:1447-1450.

[4]高橋清，莊慶德.展望21世紀(jì)新技術(shù)革命中的傳感器[J].傳感器技術(shù)，2001，20（1）:1-3.

[5]譚愛平.傳感器的發(fā)展動(dòng)態(tài)與選擇[J].化工職業(yè)技術(shù)教育，2005，7（4）:23-26.

[6]吳蓉.反射式渦流傳感器金屬測(cè)厚研究[J].蘭州鐵道學(xué)院學(xué)報(bào)，2002，21（6）:28-29.

[7]田新啟，陳虎勛.振動(dòng)渦流傳感器關(guān)鍵技術(shù)研究[J].振動(dòng)與沖擊，2010，29（1）:157-161.

[8]唐東林，舒靜.球體曲率變化對(duì)渦流傳感器靈敏度影響[J].機(jī)械研究與應(yīng)用，2016，29（1）:129-131.

[9]孫杰.電渦流傳感器的干擾原因分析及應(yīng)對(duì)措施[J].山東工業(yè)技術(shù)，2016，13（2）:22-25.

[10]李蓮，丁文寬.基于BP網(wǎng)絡(luò)的電渦流傳感器非線性補(bǔ)償[J].自動(dòng)化與儀表，2016，16（2）:25-28.

[11]徐琳，王恒.基于COMSOL有限元法的電渦流傳感器仿真[J].排灌機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2015，33（12）: 1097-1104.

[12]陳國(guó)龍，張衛(wèi)民.十字交叉旋轉(zhuǎn)場(chǎng)渦流傳感器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].中國(guó)科技論文，2015，10（22）: 2624-2627.

[13]杜金強(qiáng)，何宇廷，李培源，等.互擾對(duì)渦流陣列傳感器裂紋檢測(cè)性能影響[J].華中科技大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2015，43（11）:22-26.

[14]鄭敏，田新啟.消除材料敏感性的電渦流傳感器測(cè)量電路 [J].化工自動(dòng)化及儀表，2015，42（11）: 1216-1219.

[15]焦勝博，程禮，何宇廷，等.貼附式渦流傳感器損傷監(jiān)測(cè)特性仿真與實(shí)驗(yàn)研究[J].推進(jìn)技術(shù)，2015，36（11）:1705-1712.

[16]薛迎勃，李宏.互相關(guān)運(yùn)算算法在微傳感器檢測(cè)中的應(yīng)用[J].電子設(shè)計(jì)工程，2015，23（1）：93-95.

[17]周祥，穆海寶，魏建林，等.基于拉繩傳感器的試驗(yàn)線路舞動(dòng)軌跡監(jiān)測(cè)系統(tǒng)[J].西安工程大學(xué)學(xué)報(bào)，2016，30（2）：194-199.

Structure optimization research of proximity sensor based on magnetic shielding

CHEN Qiang
（Department of Science and Technology，Ankang University，Ankang 725000，China）

Based on the purpose to improve the performance of turbo proximity sensor，this paper add the cap-shaped magnetic flux shield at the top of the ferrite core.The proposed sensorhas closed magnetic circuitthrough the core and cap magnetic shielding.Therefore，magnetic circuit is improved significantly.This paper quantitatively accounts the electromagnetisms of thesensor from sensing property，?ux distributions，and eddy-current loss in each part of the sensor.Through the finite element analysis and experimental validation，thisstructural optimization can reduce sensory index 7.3% ，effectively improve the performance of traditional proximity sensor.

proximity sensor；eddy current loss；coil quality factor；magnetic shielding；structure

TP212

：A

：1674-6236（2017）08-0065-03

2016-04-28稿件編號(hào)：201604275

安康學(xué)院2013年國(guó)家級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目（201311397005）；安康學(xué)院2013年校級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目（2013aku015）

陳 強(qiáng)（1983—），男，湖北黃岡人，實(shí)習(xí)研究員。研究方向：測(cè)控儀表、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)集成。